氣囊下水的安全性研究

永泰長(zhǎng)榮

船舶氣囊下水可能造成船底和船艏板架 受損，針對(duì)這一問(wèn)題，采用船舶靜水力學(xué)原理，編制了 程序，進(jìn)行了多種船臺(tái)形式對(duì)下水過(guò)程中船體結(jié)構(gòu)應(yīng) 力分析。該方法將船體視為剛體，主要考慮船體所受 的重力、浮力和氣囊的支反力，在船體下滑的一系列位 置計(jì)算船舶姿態(tài)，同時(shí)計(jì)算船底板應(yīng)力，判斷船體的安

全性。

關(guān)鍵詞  氣囊下水 船臺(tái) 改造

1  引 言

氣囊下水是一項(xiàng)我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的新型下水技術(shù)，過(guò)  程簡(jiǎn)單，無(wú)需固定滑道，與傳統(tǒng)滑道下水相比，船臺(tái)  制造比較簡(jiǎn)單，建造周期短，并且沒(méi)有油脂的污染， 下水以后氣囊可以收回重復(fù)使用。氣囊下水是一種 新的技術(shù)，盡管已有2萬(wàn)噸級(jí)的船舶利用氣囊下水  的成功案例，但因缺乏研究和行業(yè)管理，該技術(shù)沒(méi)有  明確工藝和規(guī)程，主要是靠經(jīng)驗(yàn)操作，事故時(shí)有發(fā)  生。隨著氣囊承載力的提高，采用氣囊下水的船舶  噸位愈來(lái)愈大，風(fēng)險(xiǎn)愈來(lái)愈高。氣囊下水船臺(tái)形式  如圖1所示。這種船臺(tái)形式簡(jiǎn)單、制造方便，但是也  有缺點(diǎn)。在實(shí)際使用時(shí)，氣囊下水的常見(jiàn)事故主要  有：?；?、氣囊爆裂、觸地、側(cè)碰、嚴(yán)重尾落、船底受  損、側(cè)向漂移后碰撞、船艏板架受損等等。造成這些  事故的原因有很多，比如氣囊自身的剛度，下水初始  時(shí)刻氣囊的布置等等，船臺(tái)改造主要能解決船底受  損(圖3)和船艏板架受損的問(wèn)題(圖4)。

圖1 氣囊下水

研究提出船臺(tái)改造方案，結(jié)合自編下水模擬計(jì)算程序，通過(guò)下水程序計(jì)算加以驗(yàn)證，為船舶下水安 全提供一定的計(jì)算依據(jù)。

2  船臺(tái)改造原理的研究

2.1 船臺(tái)改造后的形式選擇

為了解決船底和船艏板架受損的問(wèn)題，本研究  提出幾種船臺(tái)的改造形式，具體如圖2～4所示。經(jīng)  比較選定折線型船臺(tái)為船臺(tái)改造方案。從理論上來(lái)  說(shuō)，拋物線型的船臺(tái)比折線型的船臺(tái)在氣囊下水時(shí)  有好的力學(xué)性能，因?yàn)閽佄锞€只要有適合的凸度，且  與上面的直線有恰當(dāng)?shù)倪B接，會(huì)使船在下水時(shí)，氣囊  提供更大的支持力。氣囊的支持力主要與初始?jí)毫?nbsp; 和高度有關(guān)，比較凸的拋物線能使得氣囊高度減小  得比較慢，所以從理論上來(lái)說(shuō)，這種形式最適合。但  是，考慮到氣囊下水主要是因?yàn)榇_(tái)施工方便，所以  采用了折線型的船臺(tái)加以計(jì)算，這種船臺(tái)施工簡(jiǎn)單， 施工的精度要求不會(huì)有拋物線型的要求這么高，而  且經(jīng)過(guò)實(shí)際的計(jì)算比對(duì)，發(fā)現(xiàn)只要使得下水時(shí)刻水  位有一定的高度，完全可以彌補(bǔ)折線與拋物線之間  的差距，所以采用折線型的船臺(tái)。折線型船臺(tái)也可  以有一折或者兩折的形式，這里采用了一折的形式， 因?yàn)橐徽鄣拇_(tái)有更大的通用性。能更好地為實(shí)際  情況提供計(jì)算依據(jù)，所以采用了單折的折線型船臺(tái)

(見(jiàn)圖4)。

圖 2 多折線船臺(tái)

圖 3 拋物線船臺(tái)

2.2 下水計(jì)算程序編制原理

本研究的下水計(jì)算程序主要是應(yīng)用VC++   編 寫(xiě)的程序，程序理論主要是船舶下水傳統(tǒng)的靜水力

圖4  單折線船臺(tái)

學(xué)下水計(jì)算。該方法將船體視為剛體，主要考慮船 體所受的重力、浮力和氣囊的支反力，在船體下滑的 一系列位置計(jì)算船舶姿態(tài)，同時(shí)計(jì)算船底板應(yīng)力，判 斷船體的安全性。編制下水計(jì)算程序時(shí)，首先是分 別編制了浮力，氣囊支持力等的函數(shù)，建立力學(xué)平衡 方程，最后求解方程，從而可以計(jì)算不同肋位下水時(shí) 船舶的姿態(tài)。根據(jù)姿態(tài)求解氣囊的應(yīng)力，對(duì)船體的 支持力，以及船舶每個(gè)肋位的應(yīng)力，考慮最危險(xiǎn)的截 面的應(yīng)力。在不考慮船臺(tái)改造因素下的計(jì)算，使該 程序的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際下水情況比較接近。

3 船臺(tái)改造的數(shù)值模擬計(jì)算

3.1  船臺(tái)改造計(jì)算原理

氣囊下水計(jì)算的一個(gè)比較關(guān)鍵的問(wèn)題是確定下 水各時(shí)刻氣囊的位置以及船舶的姿態(tài)。在船舶下水  以后，船舶阻止了氣囊繼續(xù)前進(jìn)，此時(shí)氣囊被船舶壓  在水里，氣囊的浮力大于重力，但是由于船舶已經(jīng)入  水，此時(shí)氣囊只能貼著船底板，使得氣囊在船臺(tái)末端  前一段距離相對(duì)靜止排列，如圖1所示。造成船底  受損和船艏板架受損主要原因是此時(shí)船舶翻轉(zhuǎn)的傾  角比較大，下面氣囊提供的支持力不夠，船舶只能往  下翻轉(zhuǎn)，取得更大的浮力，來(lái)獲取新的力和力矩的平  衡，所以船臺(tái)改造的主要方向是增加船舶在翻轉(zhuǎn)時(shí)  刻的支持力。氣囊下水時(shí)，在重心過(guò)了船臺(tái)末端以  后，此時(shí)的慣性矩會(huì)突然增大，傾角較大，那些相對(duì)  靜止的氣囊會(huì)被壓到折線船臺(tái)的前面一段，提供一  定的支持力，使得力和力矩得到新的平衡，從而降低  了船底受損的可能性。根據(jù)這種船臺(tái)改造的思路， 在原有的船舶氣囊下水程序上做了一些改動(dòng)，增加  了船舶下水以后部分氣囊的支持力。

3.2  船臺(tái)改造計(jì)算考慮因素

研究考慮的主要因素有，下水時(shí)刻水船臺(tái)位的 高低、船臺(tái)的坡度、初始時(shí)刻氣囊的布置。